5.9.16. В океане находится лодка с куском льда массы $1\text{ кг}$ при $0^\circ\text{C}$ на борту. Определите максимальную работу, которую можно получить, используя процесс таяния льда. Температура воды $27^\circ\text{C}$.
Решение
Автор предыдущего решения допустил фундаментальную ошибку. Он перемножил КПД ($\eta$) и теплоту плавления льда ($Q_C$), предполагая, что $Q_C$ — это теплота, полученная от нагревателя. Но лед в данном случае выполняет роль холодильника, а океан — нагревателя.
Тепловая машина забирает от океана теплоту $Q_H$, совершает полезную работу $A$ и сбрасывает остаток тепла $Q_C$ льду, заставляя его таять. Теплота, необходимая для таяния льда: $$Q_C = \lambda m$$ где $\lambda = 334 \text{ кДж/кг}$,$m = 1 \text{ кг}$,$T_C = 273 \text{ K}$. Температура океана (нагревателя) $T_H = 300 \text{ K}$.
Для обратимого цикла Карно (при котором работа максимальна) выполняется равенство: $$\frac{Q_H}{T_H} = \frac{Q_C}{T_C}$$ Отсюда теплота, которую машина забирает у океана: $$Q_H = Q_C \frac{T_H}{T_C}$$ Максимальная работа равна разности теплот: $$A_{\max} = Q_H - Q_C = Q_C \left(\frac{T_H}{T_C} - 1\right) = \lambda m \frac{T_H - T_C}{T_C}$$
Что касается нагрева образовавшейся воды: в условии сказано «используя процесс таяния льда», поэтому работа рассчитывается только для фазового перехода.